用于纸张特定区域显微图像采集的装置及应用方法与流程

本发明涉及一种纸张定位系统，具体的说，涉及了一种用于纸张特定区域显微图像采集的装置,还涉及一种所述装置的应用方法。

背景技术：

通过对纸张在微观（微米级）尺度下自身所固有的纤维图像特征进行自动提取和识别，获得纸张识别码，并利用纸张识别码发布防伪信息和鉴别真伪，是一种极具应用潜力的新技术。众所周知，纸质材料都是由植物纤维制造而成。在微米级尺度下，植物纤维随机地构成纵横交错的微观图像，如同指纹一样，在某种意义上讲，是不存在完全相同的纤维特征的。因此，根据纤维特征就可以唯一确定该纸张。然而，普通纸张特征识别技术的主要困难之处在于如何对普通纸张进行精确定位，并获取特定区域有效的显微纹理信息。

如专利申请号为201210064174.5的发明专利，对两个纸张边沿同时进行约束限位，以获取特定区域的显微图像，但在实际操作过程中有一定的难度。主要存在以下问题：

问题1：用两个纸张边沿约束定位纸张需要用户有很大的耐心，往往定位不准确。原因是特定区域限定在距离纸张两个边沿一定距离（可选择距离两边沿10mm）的平行线相交点位置，面积大小约为0.3*0.3mm的区域，而手动夹持和定位纸张的精度大约在0.1mm左右，光学显微的物理放大倍数约为20倍以上，这么大的放大倍数，微小的扰动就会引起采集图像产生较大的位置偏移。

问题2：即使纸张限位准确，在纸张定位后还需要完成对纸张进行夹紧固定的操作。采用的内置磁铁移错位的原理实现，操作方便，但仍需一个手工操作动作。这个简单的手工动作仍然可能在纸张位置定位结束后，微小的扰动导致定位失败。

经过分析和总结，无论采用什么定位方法，只要牵扯到人的因素，纸张定位的位置就不会精确可靠。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、定位精度高、实现普通纸张识别的特征提取功能，满足公文、票据等载有重要信息的纸质材料的辨识、防伪、记录和管理等应用需求的用于纸张特定区域显微图像采集的装置，以及该装置的应用方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于纸张特定区域显微图像采集的装置，包括壳体、纸张定位机构和显微图像采集机构，

所述纸张定位机构包括水晶导光定位夹持板、水平限位辅助刻线和纸张限位支撑柱；

所述显微图像采集机构包括三条采集不同波长光线的光路和图像采集及处理单元，三路光路的采集区分别为纸张第一边沿采集区、纸张第二边沿采集区和纸张内部点采集区，所述纸张第一边沿采集区对应所述水平限位辅助刻线设置以便采集纸张第一边沿图像，纸张第二边沿采集区对应所述纸张限位支撑柱设置以便采集纸张的第二边沿图像，所述纸张内部点采集区位于中间且三个所述采集区呈特定的位置关系，三路光路最终汇集至同一出口端，所述图像采集及处理单元对所述出口端汇聚的光线进行采集并对不同波段的光线的成像进行分检处理后获取有效的纸张显微图像；

壳体为用于安装所述纸张定位机构、所述显微图像采集机构以及人机交互机构的基体，所述壳体上有一凹槽，用于插入所述水晶导光定位夹持板并与之形成纸张喂入口。

基上所述，三条光路中，第一光路依次穿过所述纸张内部点采集区、显微物镜、第一合光镜、第二合光镜到达所述出口端；

第二光路经过纸张第一边沿采集区后，经第一直角全反射棱镜的反射到达所述第一合光镜，再经过所述第一合光镜的反射到达第二合光镜，然后穿过第二合光镜到达所述出口端；

第三光路经过纸张第二边沿采集区后，经过第二直角全反射棱镜的反射到达所述第二合光镜，经所述第二合光镜的反射到达所述出口端；

其中，所述第一合光镜为透射第一路光线、反射第二路光线的合光镜；所述第二合光镜为透射第一路光线和第二路光线、反射第三路光线的合光镜。

基上所述，所述显微图像采集机构还包括构成三条所述光路的多个单元块，相邻两单元块的形状契合，所述单元块中开设三路各自首尾相连的通孔形成三条所述光路的主通道，所述显微物镜、所述第一合光镜、所述第二合光镜、所述第一直角全反射棱镜、所述第二直角全反射棱镜分别安装在对应位置单元块的主通道内。

基上所述，所述水平限位辅助刻线包括设置于所述水晶导光定位夹持板上的纵向的辅助定位刻线，该辅助定位刻线穿过纸张第一边沿采集区的中心线设置；所述纸张限位支撑柱设置在所述采集区采集侧，所述限位支撑柱的支撑点与所述辅助定位刻线的垂线穿过纸张第二边沿采集区的中心线设置，所述水晶导光定位夹持板上分别对应各采集区设置透光孔，所述壳体上对应各透光孔设置平行光源。

基上所述，所述水晶导光定位夹持板的上部边沿和侧部边沿以及接触的壳体边沿设置引导弧面，所述辅助定位刻线延伸至所述水晶导光定位夹持板上部边沿的引导弧面上。

基上所述，所述纸张定位机构还包括弹性橡胶垫，所述弹性橡胶垫设于所述水晶导光定位夹持板和所述壳体之间，所述水晶导光定位夹持板与所述壳体之间通过螺栓固定。

基上所述，所述显微图像采集机构的采集孔一端的端面上设置有所述的纸张支撑限位柱和用于所述显微图像采集机构装配的装配位置校正定位柱，所述壳体上对应所述校正定位柱设置定位孔。

基上所述，它还包括安装在所述壳体上表面的显示屏和按键输入模块，所述按键输入模块连接所述图像处理单元以便进行按键控制，所述显示屏连接所述图像处理模块以便人机交互操作。

一种用于纸张特定区域显微图像采集的装置的应用方法，包括以下步骤：

1）、在纸张上选取一特定区域作为纸张纤维显微图像采集区，与所述纸张内部点采集区对应；在接近的纸张第一边沿上选取一辅助定位区，与所述纸张第一边沿采集区对应；在接近的纸张第二边沿上选取另一辅助定位区，与所述纸张第二边沿采集区对应；

2）、将纸张的一角喂入所述纸张喂入口；

3）、纸张的喂入端直抵纸张限位支撑柱后停止，对纸张进行支撑和限位；

4）、调整转动纸张，将纸张第一边沿和透明水晶导光定位夹板上的辅助定位刻线对齐，完成纸张的水平定位；

5）、通过平行光源对纸张的照射，各路不同波长的光线经过三路光路汇集至出口端后，由图像采集及处理单元采集图像并对图像进行分检，当两辅助定位区的成像中纸张边沿均位于采集图像的中心线位置时，则采集的合光成像中含有的纸张纤维显微图像为有效图像；若两辅助定位区的成像中纸张边沿不位于采集图像的中心线位置时，则定位失败，由操作人员重复步骤4），对纸张进行微调，直到获取有效图像；

6）、图像处理单元对有效图像进行分离，获取纸张纤维显微图像的有效特征，进行识别。

基上所述，在步骤2）、步骤3）和步骤4）中，通过调整水晶导光定位夹持板上的螺栓调整夹固纸张的夹固力度；在步骤5）和步骤6）中，三路光线采用不同波长的光线以便进行定位识别和分离图像。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明具有以下优点：

1、采用纸张的一个边角的两个相互垂直的直角边来约束，使用合光显微光学系统同时获取纸张两个直角边沿以及特定区域的成像，当采集的图像中两辅助定位区的直角边沿正好通过图像中心线位置时，则采集的合光成像中含有的纸张纤维显微图像为有效图像；经分离后，合光图像中的显微图像为纸张的有效特征图像。

2、纸张定位机构的纸张限位支撑柱和水平限位辅助刻线，可将纸张精准定位，水晶导光定位夹持板提供夹持纸张的支撑，增加弹性橡胶垫给予纸张一定的加持力，在稳定的夹持力下还能够小幅度的微调。

3、三路光路采用不同波长的光线传递，便于最终合光图像的拆分和有效图像的特征识别。

4、引导弧面便于纸张的喂入，校正定位柱用于合光显微光学系统与壳体装配时的定位。

附图说明

图1是本发明中进行纸张定位识别的原理图。

图2是本发明中显微图像采集机构的结构原理图。

图3是本发明中显微图像采集机构的爆炸图。

图4是本发明中用于纸张特定区域显微图像采集的装置的整体结构示意图。

图5是本发明中纸张限位支撑柱及物镜安装所处部件的结构示意图。

图6是本发明中水晶导光定位夹持板的结构示意图。

图7是本发明中用于纸张特定区域显微图像采集的装置的剖视图。

图8是本发明中用于纸张特定区域显微图像采集装置的爆炸图。

具体实施方式

提供一种纸张进行纸张定位和图像采集的方法，其原理是: 采用光学系统的合光原理，将具有一定距离的纸张两个直角边沿的光学图像和显微区域图像进行合光，首先判断纸张的两个直角边是否通过图像中心，若两直角边沿均通过图像中心，则此时采集的显微图像作为有效的纸张特征图像进行处理。只要保证合光系统的加工精度，就可以保证采集图像过程中的纸张定位精度，避免了人为操作过程中的定位随机性，且该定位方法简单高效易操作。

本实施例中，规定相邻两直角边分别为第一边沿和第二边沿。

如图1所示，本实施例中，A、B、C为光学成像系统中三个位置的物象：A是竖直方向上以纸张的一个直角边沿为对称中心上的圆形区域，对应上述纸张第一边沿采集区；B是区域中心距离两直角边均为10mm的较小的区域，对应上述纸张内部采集区；C是水平方向上以纸张一个直角边沿为对称中心的圆形区域，对应上述纸张第二边沿采集区。三个物象区域中心要求在同一条直线上，且与水平方向的夹角为45度。三个区域中心距离为等间距，距离为14.14mm。三者的相对位置关系根据光学系统设定，结合图2可知，如果满足上述约束设定，则可保证采集的显微图像为相同位置的图像，从而保证提取特征的稳定性和唯一性。

如图2所示，实现上述方法采用的显微图像采集机构包括图像采集及处理单元1-7和三条采集不同波长光线的光路，三路光路的采集区分别为纸张第一边沿采集区、纸张第二边沿采集区和纸张内部点采集区，所述纸张第一边沿采集区对应所述水平限位辅助刻线设置以便采集纸张第一边沿图像，纸张第二边沿采集区对应所述纸张限位支撑柱设置以便采集纸张的第二边沿图像，所述纸张内部点采集区位于中间且三个所述采集区呈特定的位置关系，三路光路最终汇集至同一出口端，出口端处安装聚焦透镜1-6以便获取清晰的图像，所述图像采集及处理单元1-7对所述出口端汇聚的光线进行采集并对不同波段的光线的成像进行分检处理后获取有效的纸张显微图像。

三条光路中，第一光路为B路光线，位于中间，选用波长为600~700nm的红光，依次穿过沿直线设置的纸张内部点采集区、显微物镜1-1、第一合光镜1-2、第二合光镜1-3到达聚焦透镜1-6；

第二光路为A路光线，选用波长为400~500nm的蓝光，经过纸张第一边沿采集区，经第一直角全反射棱镜1-4的反射到达所述第一合光镜1-2，再经过所述第一合光镜1-2的反射到达第二合光镜1-3，然后穿过第二合光镜1-3到达所述聚焦透镜1-6；

第三光路为C路光线，选用波长为500~600nm的绿或黄光，经过纸张第二边沿采集区，经过第二直角全反射棱镜1-5的反射到达所述第二合光镜1-3，经所述第二合光镜1-3的反射到达聚焦透镜1-6；

其中，所述纸张第二边沿采集区、所述纸张内部点采集区和所述纸张第一边沿采集区位于同一直线上，与纸张上三个区域相对应；所述第一合光镜1-2为透红反蓝的合光镜片；所述第二合光镜1-3为透红蓝反绿黄的合光镜片。

之所以采用不同的照射光源是为了方便对合光后的采集图像进行快速分检，滤除A区和C区的成像，以降低提取纸张显微纹理特征时图像处理复杂度。

显微物镜1-1的主要目的是显微放大B区域物象，以采集该纸张区域的显微图像。

合光镜片，或称滤波片。其另外的作用是可在一定程度上避免对B区物象的回射干扰。

全反射的直角棱镜，目的是将A区、C区物象光线导向对应的合光镜片上，以实现合光。

聚焦透镜1-6，相当于图像传感器的目镜。主要作用是将物镜成像及合光成像重新聚焦在图像传感器的成像面板上，以获得清晰的纸张边沿图像和特定区域的显微图像。

所述图像采集及处理单元1-7包括图像传感器、人机交互主电路板、图像传感器电路板、键盘柔性电路板、液晶显示板，用于采集图像、分检出定位信息和识别信息并给予反馈。

由于上述显微图像采集机构在不同空间位置上含有不同类型的光学元件，如：显微物镜、全反射棱镜、合光镜以及聚焦透镜等，这些光学元件的空间位置必须精确，以保证整个光学系统精确对焦，同时所设计的装置也必须易于调整和安装，设计了如图3所示的具体模块结构。

所述显微图像采集机构还包括构成三条所述光路的多个单元块，相邻两单元块的形状契合，依次包括纸张定位及物镜安装部2-1、B、C区导光块2-2、第二直角全反射棱镜支撑块2-3、第二直角全反射棱镜压块2-4、聚焦透镜安装板2-5、图像传感器电路板2-6、合光镜盖板2-7、矩形结构填块2-8、中央合光镜支撑块2-9、第一直角全反射棱镜压块2-10、第一直角全反射棱镜支撑块2-11，所述单元块中开设三路各自首尾相连的通孔形成三条所述光路的主通道，所述显微物镜1-1、所述第一合光镜1-2、所述第二合光镜1-3、所述第一直角全反射棱镜1-4、所述第二直角全反射棱镜1-5和所述聚焦透镜1-6分别安装在对应位置单元块的主通道内。

所述纸张定位机构包括水晶导光定位夹持板3、水平限位辅助刻线和纸张限位支撑柱，如图6所示，所述水晶导光定位夹持板3上分别对应各采集区设置透光孔；所述水平限位辅助刻线包括设置于所述水晶导光定位夹持板3上的纵向的辅助定位刻线3-1，该辅助定位刻线3-1穿过纸张第一边沿采集区的中心线设置，对应图示透光孔3-5。

所述纸张限位支撑柱3-2设置在所述采集区采集侧，所述限位支撑柱3-2的支撑点与所述辅助定位刻线3-1的垂线穿过纸张第二边沿采集区的中心线设置，对应图示透光孔3-6。

在具体结构中，由于纸张限位支撑柱3-2具有决定纸张定位精度的主要作用，因此将其与显微图像采集机构1一体固定，减少装配误差，如图5所示，在该集成模块纸张定位及物镜安装部2-1上，包括分别对应A区采集区、B区采集区及C区采集区分别设置的透光孔3-9、3-10、3-11、纸张限位支撑柱3-2和校正定位柱3-4，以确保纸张限位支撑柱3-2与三个透光孔的相对位置固定，通过辅助定位刻线限位纸张第一边沿，保障A、B、C三个物象区域中心的精确位置。

在图6所示的水晶导光定位夹持板3上设置纸张限位支撑柱安装孔3-3用于安装所述纸张限位支撑柱3-2。

所述辅助定位刻线3-1采用激光在位于纸张紧贴的一面的水晶导光定位夹持板3表面光刻一条过Ａ区导光孔中心位置的直线，散射照明光源的光线在水晶体内可将此条辅助定位刻线3-1照亮，以辅助人在进行纸张定位操作时将纸张第一边沿和这条辅助线大致对齐。

所述水晶导光定位夹持板3的上部边沿和侧部边沿以及接触的壳体边沿设置引导弧面3-7，使得纸张易于插入，所述辅助定位刻线3-1延伸至所述水晶导光定位夹持板3上部边沿的引导弧面3-7上，更容易对齐。水晶导光定位夹持板3上设置弹性橡胶垫3-8，所述弹性橡胶垫3-8设于所述水晶导光定位夹持板3和所述壳体4之间。

弹性橡胶垫3-8为有一定厚度的矩形薄片，材料为具有弹性的橡胶材料，其上含有三个区的透光穿孔和一个水晶导光定位夹持板紧固螺栓穿孔。弹性橡胶垫3-8主要作用是通过推动水晶导光定位夹板3给喂入的纸张以一定的夹持力，夹持力大小可通过旋转调整连接于装置壳体4和水晶导光定位夹持板的螺栓4-4来调整。

水晶导光定位夹板3具有多项功能：为照明光源导光；为纸张特定区域提供平行光源；引导纸张插入，配合弹性橡胶垫为纸张提供夹持支撑面和轻微的夹持力，并由于其水晶材质使得纸张位置易于调整；为纸张限位支撑柱提供装配孔。

为确保所述纸张定位机构3和显微图像采集机构的安装配合关系稳定，设计壳体4，壳体为用于安装所述纸张定位机构、所述显微图像采集机构以及人机交互机构的基体，所述壳体上有一凹槽，用于插入所述水晶导光定位夹持板并与之形成所述的纸张喂入口。如图4，显微图像采集机构4-1呈45度的安装在所述壳体4的容腔内，纸张定位机构4-2安装在显微图像采集机构4的采集端，水晶导光定位夹持板3的螺栓4-4和水晶导光定位夹持板3的紧固螺母4-5用于将水晶导光定位夹持板3固定在壳体4上。

人机交互主电路板4-6、图像传感器电路板4-7、键盘柔性电路板4-9、液晶显示板4-10为内部的电路元件，用于实现图像的分检、采集和显示等功能，LED灯4-11安装在水晶导光定位夹持板的另一侧，对应三个透光孔设置，用于提供光源。所述壳体4-1内还设有电池安装槽4-12，用于供电。

校正定位柱3-4的作用是安装校正定位，保证显微图像采集机构4-1与壳体4之间的装配正确。前盖4-3、装置后盖4-8用于封装壳体4。

具体使用时，包括以下步骤：

1）、在纸张上选取一特定区域作为纸张纤维显微图像采集区，与所述纸张内部点采集区对应；在接近的纸张第一边沿上选取一辅助定位区，与所述纸张第一边沿采集区对应；在接近的纸张第二边沿上选取另一辅助定位区，与所述纸张第二边沿采集区对应；

2）、将纸张的一角喂入所述纸张喂入口；

3）、纸张的喂入端直抵纸张限位支撑柱后停止，对纸张进行支撑和限位；

4）、调整转动纸张，将纸张垂直边沿和透明水晶导光定位夹板上的辅助定位刻线对齐，完成纸张的水平定位；

5）、通过平行光源对纸张的照射，各路不同波长的光线经过三路光路汇集至出口端后，由图像采集及处理单元采集图像并对图像进行分检，当两辅助定位区的成像中纸张边沿均位于采集图像的中心线位置时，则采集的合光成像中含有的纸张纤维显微图像为有效图像；若两辅助定位区的成像中纸张边沿不位于采集图像的中心线位置时，则定位失败，由操作人员重复步骤4），对纸张进行微调，直到获取有效图像；

6）、图像处理单元对有效图像进行分离，获取纸张纤维显微图像的有效特征，进行识别。

其中，在步骤2）和步骤3）中，通过调整水晶导光定位夹持板上的螺栓调整夹固纸张的夹固力度；在步骤4）和步骤5）中，三路光线采用不同波长的光线以便进行定位识别和分离图像。

根据本发明设计的装置结构，可作为普通纸张识别、防伪和鉴别技术的通用设备。其特点是：结构简单合理、外观美观、易于携带、定位精度高、成本低、以及使用方便等优点。可适用于对办公公文、印章管理、票据、证件、资料公证等众多需要对普通纸张进行防伪鉴别的技术领域。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。